Kdy a kde bude první fúzní elektrárna

https://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/3374-wham-magneticka-zrcadlaZdá se, že vypukla fúzní tlačenice. Po období, kdy se posměšně říkalo, že fúze bude vždy za dvacet let, se najednou každý stává optimistou. Každý chce mít fúzní elektrárnu první. Zdá se, že jsou dvě aktivity, nebo dokonce tři, které na výzkum termojaderné fúze v poslední době přitahují pozornost. Jsou to pokroky ve stavbě tokamaku ITER, počátky spolupráce soukromých a vládních projektů a vysokoteplotní polovodiče (HTS). Pokud se nestane nic zlého, bude letos v tokamakové jámě na staveništi ITER všech devět sektorových modulů. Impozantní pohled na obrovskou toroidální komoru udělá dojem na každého diváka a přesvědčí mnohého, že tokamak ITER je na dobré cestě a termojaderná fúze může v dohledné době být slušným byznysem. Kdo přijde pozdě, bude sám sobě škodit. 

Dotažení fúze do zdárného konce dodávek elektřiny by znamenalo energetickou revoluci a zajištění dostatku energie pro celý svět. A také obrovský byznys. Poptávka po elektřině historicky stoupá, a to exponenciálně.

Publikace Soukromý kapitál ve výzkumu řízené termojaderné fúze byla v roce 2017 první svého druhu na světě. Měl jsem tam soukromých projektů všeho všudy devět. Dnes by to byla docela obsáhlá kniha. Odhad: už je jich více než 30. Kanadská General Fusion staví na zahradě ve známém britském Culham Science Center svou pobočku za britské peníze. Za Atlantikem americká DoE financuje spolek zvaný Infúze, který podporuje fúzní startupy. Vedení projektu se ujaly dvě národní laboratoře ORNL (Oak Ridge National Laboratory) a PPPL (Princeton Plasma Physic Laboratory). Nepřekvapí, že Spojené státy chtějí být první, kdo pošle do sítě první kilowatty fúzní elektřiny. Těch, kdo chtějí být první, je více, například Čína.

Třetí novinka úzce souvisí s druhou. Jsou to nové a vylepšené supravodivé magnety – vysokoteplotní supravodiče ze vzácných zemin (REBCO – Rare Earth Baryum Coper Oxide). Využije je nejen suverénní jednička fúzního výzkumu, tokamak, ale nedávno oznámila Univerzita Wiskonsin, že zkrátka nepřijdou ani stará známá zrcadla. Pochopitelně, bavíme se o termojaderné fúzi, zrcadla nebudou skleněná či magická, ale magnetická: Wisconsin HTS Axisymetric Mirror. WHAM. (Psali jsme o něm v Třípólu zde: WHAM, magnetická zrcadla | 3 pól - Magazín plný pozitivní energie.)

Fúze je opak štěpení, ale stále je to jaderná energie

S humorným titulkem myšleným smrtelně vážně oznámil internet: „Jádro ne, fúzi ano. Německo sází na nevyzkoušený zdroj energie“. Kdosi si neuvědomil, že fúze je také jádro! Němci nicméně docela překvapili: chtějí být stejně jako Amerika první, kdo postaví fúzní elektrárnu.

Podívejme se, jak si některé země naplánovaly budoucnost po tokamaku ITER:

USA                      ARC                      Tokamak                                     2030

DEMO (demonstrační reaktor, bude vyrábět elektřinu, ale zatím ne pro síť) je mezistupeň po ITERu a před elektrárnou.

Tokamak nebo stelarátor?

Vzhůru vystřelilo se svou stelarátorovou strategií Německo. V roce 2031 chce spustit pokusný Alpha a další jeho stelarátor pak míří k cíli nejvyššímu, ke komerční výrobě elektřiny. Má to být stelarátor Stellaris. Závody mezi Německém a USA? Soutěž tokamaku a stelarátoru? Na rozdíl od lehké atletiky nebudou rozhodovat setiny sekundy, ale nejspíše roky.

Místo pro stavbu stelarátoru Alpha není dosud určeno. Šanci má bavorský Garching, ale uvažuje se i o zahraničí. Pochopitelně místo stavby pro Stellaris je ve hvězdách. Zajímavá jsou hlediska, podle kterých se místo pro velké fúzní stroje vybírá:

Infrastruktura: připojení k elektrické síti, chlazení (voda/alternativní systém), dobrá dopravní dostupnost (silnice, železnice).

Regulace: jasný právní rámec pro fúzi, proveditelné povolovací řízení, zvládnutelné environmentální posouzení.

Bezpečnost a prostředí: nízké přírodní riziko (záplavy, zemětřesení), dostatečný odstup od zástavby, přijatelné dopady na životní prostředí.

Lidé a know-how: blízkost výzkumných institucí, dostupní specializovaní odborníci, technické a průmyslové zázemí.

Ekonomika a politika: podpora státu a regionu, rozumné náklady na pozemek a infrastrukturu, akceptace místní komunitou.

Dovolím si uvést pořadí fúzních projektů podle velikosti objemu plazmatu ve vakuových komorách. Jsou dvě kritéria, která ovlivňují dobu udržení energie v plazmatu: kvalita a intenzita magnetického udržovacího pole a velikost objemu plazmatu. Čím silnější magnetické pole a větší je objem plazmatu, tím lepší je udržení energie.

Fúzní projekty ve světě podle objemu plazmatu

HTS (vysokoteplotní polovodiče) tedy do jisté míry nahrazuje krychlové metry. Výjimkou je Stellaris s velkým objemem plazmatu a současně se silným magnetickým polem (HTS). Zatímco Alpha má být stále experimentální zařízení, Stellaris těžící z předpokládaného úspěšného spuštění a provozu stelarátoru Alpha už má posílat elektrickou energii do komerční sítě. Pokud bychom tento stelarátorový program měli přirovnat k desítky let běžícímu programu tokamakovému, pak Alpha by odpovídalo tokamaku ITER a Stellaris tokamaku následujícím po tokamaku DEMO, například americkému ARC.

Německá podpora jádru

Dnes notoricky globálně známý germánský unáhlený jaderný exit už při jeho podpisu kritizoval současný německý kancléř Friedrich Merz. Právě při vzniku nové německé vlády na jaře po předčasných volbách se v koaliční smlouvě vládní strany dohodly, že budou podporovat výzkum v oblasti jaderné syntézy a zavázaly se k „postavení prvního fúzního reaktoru na světě“! Dohodli se politici a zajímalo by mě, zda o tom němečtí vědci alespoň vědí, natož, aby vřele souhlasili. Těch vědců je ve třech známých německých vládních institucích (MP IPP, FZJ, KIT) požehnaně a s velkými historickými zkušenostmi. Navíc se přidaly dva start-upy: Proxima Fusion (nejrychleji rostoucí fúzní společnost v Evropě se sídlem v Garchingu) a Gaus Fusion (mezinárodní Greentech Venture založené společnostmi se zkušenostmi s technologiemi průmyslové fúze).

Fúzní „blitz krieg“

Zatímco Spojené království se donedávna pyšnilo evropským tokamakem JET a Francie se chlubí mezinárodním tokamakem ITER, Německo jako by zůstalo stranou. Až nyní vyrazilo do útoku. Jako jediný fúzní stát v Evropě má v EUROfusion dvě instituce (Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) a Forschungszentrum Jülich (FZJ)) a chce více. Sází však na stelarátory oproti tokamakům. Je ale nutné dodat, že výhodou stelarátoru je, že je stacionární, naproti tomu tokamak je pulsní.

Česko staví tokamak Compass-U

Jsem zvědav, zda ÚFP AV ČR se pustí také do fúzní elektrárny. Určitě to nebude hned, protože i tento mnohem menší a skromnější program má už znatelné zpoždění. Tokamak COMPASS-U je aktivně ve výstavbě, probíhají stavební práce i montáže technických a vědeckých systémů. Původní plán prvního plazmatu byl rok 2025, ale vzhledem k rozsahu a komplexnosti instalace je zařízení v roce 2026 stále v konstrukční a přípravné fázi s cílem co nejdříve zahájit první testy a následně plný experimentální provoz. Držme jedinému vědeckému fúznímu projektu v Čechách palce, ať na první plazma nečekáme tak dlouho jako na první plazma tokamaku ITER. Po 44 letech nepřetržitého provozování nejméně jednoho tokamaku už je Česko 4 roky bez velkého tokamaku, jen dědeček Golem na Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské, výukový tokamak, vysoce kvalitní, drží vlajku české fúze. (Nemluvíme o 10 stavebnicích tokamaku rozesetých po republice, ba po Evropě, ty nepotřebují ani vývěvu.)

(Poznámka redakce: pokusíme se přinést reportáž z výstavby Compass-U.)

Stellaris koncept je vysvětlen v tomto videu Proxima Fusion Announces Stellaris Fusion Power Plant Design